Химия жизни

Работа на тему:

«Химия жизни»

2004

План

  Введение

  Химический взгляд на природу, истоки и современное состояние.

  Предмет познания химической науки и ее структура

  Взаимосвязь химии и физики

  Взаимосвязь химии и биологии Заключение

  Литература

Введение

Современная химия представляет собой широкий комп­лекс наук, постепенно сложившийся в ходе ее длительного исторического развития. Практическое знакомство человека с химическими процессами восходит к глубокой древности. В течение многих столетий теоретическое объяснение хими­ческих процессов основывалось на натурфилософском учении об элементах-качествах. В модифицированном виде оно по­служило основой для алхимии, возникшей примерно в III-IV вв. н.э. и стремившейся решить задачу превращения не­благородных металлов в благородные. Не добившись успеха в решении этой задачи, алхимики, тем не менее, выработали ряд приемов исследования веществ, открыли некоторые хи­мические соединения, чем в определенной степени способ­ствовали возникновению научной химии.

Натурфилософские воззрения лежали также в основе воз­никшей в XVI в. ятрохимии (предшественницы медицин­ской химии), стремившейся найти в химических препаратах средства лечения многочисленных болезней. В средние века получили ускоренное развитие химические производства: металлургия, стеклоделие, изготовление красителей. Это спо­собствовало выработке первых теоретических установок в развивавшемся химическом знании.

Собственно научная химия ведет свое начало со второй половины XVII в., когда Р. Бойль и его единомышленники дали первое научное определение понятия «химический эле­мент». Важной вехой на пути создания научной химии стало открытие благодаря работам М.В. Ломоносова и А. Лавуазье, закона сохранения массы при химических реакциях. Важ­ную роль в становлении химии как самостоятельной науки сыграло открытие в конце XVII — начале XIX вв. стехиометрических законов.

Разработка химических воззрений в XIX в. началась с создания Д. Дальтоном основ химической атомистики. Вско­ре А. Авогадро ввел понятие «молекула». Однако атомно-молекулярные представления утвердились в науке лишь в 60-х годах XIX в. В тот же период в познавательном прицеле химии заняла основополагающее место, наряду с составом, также структура веществ. Этому в решающей степени спо­собствовало создание А.М. Бутлеровым теории химического строения. К числу наиболее значительных вех развития на­учной химии и всего естествознания принадлежит открытие Д.И. Менделеевым периодического закона химических эле­ментов. В конце XIX — начале XX вв. к ведущим направле­ниям развития химии стало относиться изучение закономер­ностей химического процесса. Со второй половины XX в. в химии плодотворно развивается концепция, нацеленная на изучение возможностей использования в процессах получе­ния целевых продуктов таких условий, которые приводят к самосовершенствованию катализаторов химических реакций, т.е. к самоорганизации химических систем. Эволюционная химия обратилась к постижению путей получения наиболее высокоорганизованных химических систем, которые только возможны в настоящее время.

В химии исторически сложились, таким образом, четыре уровня изучения веществ: с позиций их состава, строения, химического действия и самоорганизации. Тем не менее, спе­цифика химии не может быть сведена только к исследова­нию веществ с позиций этого многоуровневого подхода. Наи­более специфичным для нее является постижение химизме взаимоотношений веществ. Причем осмысление феномена химизма, находит свое концентрированное выражение в со­временной трактовке предмета химии.

Химический взгляд на природу, истоки и современное состояние.

Химия — очень древняя наука. Существует несколько объясне­ний слова «химия». Согласно одной из имеющихся теорий, оно происходит от древнего названия Египта — Kham и, следователь­но, должно означать «египетское искусство». Согласно другой тео­рии, слово «химия» произошло от греческого слова cumoz (сок растения) и означает «искусство выделения соков». Этот сок мо­жет быть расплавленным металлом, так что при подобном расши­ренном толковании данного термина в него приходится включать и искусство металлургии.

С химией тесно связаны элементы стихий древнегреческой на­турфилософии, атомистика Левкиппа и Демокрита. Но, конечно, наибольший вклад в становление этой науки внесли египтяне. Имя первого из дошедших до нас химиков — Болос из Менда, жившего в дельте Нила на рубеже III и II вв. до н.э. К 300 г. н.э. египтянин Зосима написал энциклопедию, которая охватывала все собранные к тому времени знания по химии. Но химия, представленная в этом труде, еще не была наукой в полном смысле слова, а оставалась тесно связанной с древнеегипетской религией и не выходила в сво­ем развитии за пределы формирования феноменологического уров­ня. В химии выявлялись свойства, устанавливались закономерности между ними, сущность же явлений подменялась их мистической интерпретацией. Химию (химиков) искореняли и преследовали древ­неримские императоры, фанатики христианства: ученые изгонялись, книги их сжигались, сама наука запрещалась. Одни опасались, на­пример, того, что химики занимались получением золота; вторые преследовали ученых за тесную связь химии с древнеегипетской ре­лигией, которая, с точки зрения христианства, была язычеством.

Начиная с последних веков I тыс. до н.э. химия бурно развива­лась в арабском мире, а в первой половине нынешнего тысячеле­тия она получила широкое распространение в Западной Европе. С одной стороны, развитие химии в этот период шло вслед за раз­витием техники, однако, с другой стороны, она оставалась тесно связанной с религиозно-философской мыслью. В тот период химия существовала главным образом как алхимия.

В химии необходимо отметить, прежде всего, существование осо­бого «химического взгляда» на природу, который не может быть сведен к физическому, несмотря на все успехи физической химии в нынешнем столетии. То есть у химии давно были обнаружены качества некоторого особого типа. Так, согласно известному хими­ку А. А. Бутакову, химические реакции «нельзя объяснить только действием сил электрического притяжения и отталкивания. Их дей­ствием объясняется лишь физическая сторона химического процес­са. Химическая форма движения материи представляет собой про­цессы изменения частиц вещества, которые, в конечном счете, опре­деляются действием периодического закона». Подобного мнения придерживаются и многие другие ученые-химики. Известный рос­сийский физико-химик Н. Н. Семенов сводил основные отличия между физическим и химическим процессом к трем: «Истории сис­темы, отсутствию мгновенных параметров для скоростей химичес­ких реакций, возможности пользоваться равновесными параметра­ми для физических процессов и невозможности — для химических».

В химии хорошо используется подход индуктивный, гораздо ме­нее продуктивным здесь оказался дедуктивный подход. При дедук­тивном подходе вся совокупность известных естественно-научных фактов (не только химических, но и физических, биологических) представляется вытекающей из ряда основных законов. Такой под­ход, как правило, оказывается достаточно эффективным в физике и там, где могут быть использованы физические идеи (в химии). Индуктивный подход — это движение в обратном направлении, когда на основе химической фактологии выявляются более или менее общие закономерности (правила, законы), а затем уже со­здаются обобщенные модели, составляющие основу современной теоретической химии.

Важнейшие особенности современной химии таковы.

1.  В химии, прежде всего в физической химии, появляются многочисленные самостоятельные научные дисциплины (хи­мическая термодинамика, химическая кинетика, электрохи­мия, термохимия, радиационная химия, фотохимия, плазмохимия, лазерная химия).

2.  Химия активно интегрируется с остальными науками, ре­зультатом чего было появление биохимии, молекулярной био­логии, космохимии, геохимии, биогеохимии. Первые изучают химические процессы в живых организмах, геохимия — зако­номерности поведения химических элементов в земной коре. Биогеохимия — это наука о процессах перемещения, распре­деления, рассеяния и концентрации химических элементов в биосфере при участии организмов. Основоположником биогео­химии является В. И. Вернадский. Космохимия изучает хими­ческий состав вещества во Вселенной, его распространенность и распределение по отдельным космическим телам.

3. В химии появляются принципиально новые методы исследо­вания (структурный рентгеновский анализ, масс-спектроскопия, радиоспектроскопия и др.).

Химия способствовала интенсивному развитию некоторых на­правлений человеческой деятельности. Например, хирургии химия дала три главных средства, благодаря которым современные опе­рации стали безболезненными и вообще возможными: 1) введе­ние в практику эфирного наркоза, а затем и других наркотических веществ; 2) использование антисептических средств для преду­преждения инфекции; 3) получение новых, не имеющихся в при­роде аллопластических материалов-полимеров.

В химии весьма отчетливо проявляется неравноценность отдель­ных химических элементов. Подавляющее большинство химичес­ких соединений (96% из более 8,5 тыс. известных в настоящее вре­мя) — это органические соединения. В их основе лежат 18 элементов), и большее распространение имеют всего 6 из них). Это происходит в силу того, что, во-первых, химические связи проч­ны (энергоемки) и, во-вторых, они еще и лабильны. Углерод как никакой другой элемент отвечает всем этим требованиям энерго­емкости и лабильности связей. Он совмещает в себе химические противоположности, реализуя их единство.

Однако подчеркнем, что материальная основа жизни не сво­дится ни к каким, даже самым сложным, химическим образова­ниям. Она не просто агрегат определенного химического состава, но одновременно и структура, имеющая функции и осуществляю­щая процессы. Поэтому невозможно дать жизни только функцио­нальное определение.

В последнее время химия все чаще предпринимает штурм со­седних с нею уровней структурной организации природы. Напри­мер, химия все более и более вторгается в биологию, пытаясь объяс­нить основы жизни.

Предмет познания химической науки и ее структура

Современная химия изучает превращения, при которых  молекулы одного соединения обмениваются атомами с молекулами других соединений, распадаются на молекулы с мень­шим числом атомов, а также вступают в химические реак­ции, в результате которых образуются новые вещества. Ато­мы претерпевают в химических процессах некоторые изме­нения лишь в наружных электронных оболочках, атомное ядро и внутренние электронные оболочки при этом не изме­няются.

При определении предмета химии нередко акцентируют внимание на том, что его составляют, прежде всего, соединения атомов и превращения этих соединений, происходящее с разрывом одних и образованием других межатомных связей.

Различные химические науки отличаются тем, что они занимаются изучением либо различных классов соединений (такое различие положено в основу разграничения органи­ческой и неорганической химии), либо разных типов реак­ций (радиохимия, радиационная химия, каталитический синтез, химия полимеров), либо использованием разных ме­тодов исследования (физическая химия в ее различных на­правлениях). Отграничение одной химической дисциплины от другой, сохраняющее в нынешних условиях исторически сложившиеся разграничительные линии, имеет относитель­ный характер.

До конца XIX века химия в основном была целостной единой наукой. Внутреннее ее деление на органическую и неор­ганическую не нарушало этого единства. Но последовавшие вскоре многочисленные открытия, как в самой химии, так и в биологии, физике положили начало быстрой ее дифферен­циации.

Современная химическая наука, опираясь в» прочные те­оретические основы, непрерывно развивается вширь и вглубь. В частности, происходит открытие и изучение новых, каче­ственно различных дискретных химических частиц. Так, еще в первой половине XIX века при изучении электролиза были обнаружены ионы — особые частицы, образованные из ато­мов и молекул, но электрически заряженные. Ионы являют­ся структурными единицами многих кристаллов, кристалли­ческих решеток металлов, они существуют в атмосфере, в растворах и т.д.

В начале XX в. химики открыли радикалы как одну из активных форм химического вещества. Они образуются из молекул путем отщепления отдельных атомов или групп и содержат атомы элементов в необычном для них валентном состоянии, что связано с наличием одиночных (неспаренных) электронов, объясняющих их исключительную химическую активность.

К особым формам химического вещества относятся также макромолекулы. Они состоят из сотен и тысяч атомов и вслед­ствие этого приобретают в отличие от обычной молекулы качественно новые свойства.

Характерный для новейшей химии, как и для всей науки XX в., процесс глубокой внутренней дифференциации в значительной степени связан с открытием этого качественного многообразия химических веществ. Их строение, превраще­ния и свойства стали предметом изучения специальных раз­делов химии: электрохимии, химической кинетики, химии полимеров, химии комплексных соединений, коллоидной химии, химии высокомолекулярных соединений.

Уже к началу XX в. внутри самой химии четко различа­ются общая и неорганическая химия, и органическая хи­мия. Предметом изучения общей и тесно связанной с ней неорганической химии стали химические элементы, образу­емые ими простейшие неорганические соединения и их об­щие законы (прежде всего Периодический закон Д.И. Мен­делеева).

Сильный толчок развитию неорганической химии дали проникновение в недра атома и изучение ядерных процессов. Поиски элементов, наиболее пригодных для расщепления в ядерных реакторах, способствовали исследованию малоизу­ченных и синтезу новых элементов с помощью ядерных ре­акций. Изучением их свойств, а также физико-химических основ и химических свойств радиоактивных изотопов, мето­дикой их выделения и концентрации занялась радиохимия, возникшая во второй четверти XX в.

Органическая химия окончательно сложилась в самостоя­тельную науку во второй половине XIXв. Этому способство­вало получение большого эмпирического и теоретического материала о соединениях углерода и его производных. Опре­деляющим фактором для всех органических соединений яв­ляются особенности валентного состояния углерода — спо­собность его атомов связываться между собой как одинар­ной, так и двойной, тройной связью в длинные линейные и разветвленные цепи. Благодаря бесконечному многообразию форм сцепления углеродных атомов, наличию изомерии и гомологических рядов почти во всех классах органических соединений возможности получения этих соединений прак­тически безграничны.

В XX в. многие разделы органической химии стали по­степенно превращаться в большие, относительно самостоя­тельные ветви со своими объектами изучения. Так появи­лись химия элементоорганических соединений, химия по­лимеров, химия высокомолекулярных соединений, химия антибиотиков, красителей, душистых соединений, фарма­кохимия и т.д.

В конце XX в. возникает химия металлоорганических со­единений, то есть соединений, содержащих одну (или бо­лее) прямую связь металла с углеродом. До окончания века были открыты органические соединения ртути, кадмия, цин­ка, свинца и др. В настоящее время получены углеродистые соединения со значительным содержанием не только метал­лов, но и неметаллов (фосфор, бор, кремний, мышьяк и т.д.). Теперь эту область химии стали называть химией элементо­органических соединений, она находится на стыке органи­ческой и неорганической химии.